熱電偶傳感器

熱電偶傳感器第1頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1基本原理熱電偶測溫是基于熱電效應(yīng)原理，熱電效應(yīng)的基本原理是：兩種不同材料的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）緊密結(jié)合，組成一個閉合回路，當(dāng)兩接點溫度T和To不同時，則在該回路中就會產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象。其電動勢由接觸電勢（珀爾帖電勢）和溫差電勢（湯姆遜電勢）兩部分組成。如圖所示的回路中，導(dǎo)體A或B稱為熱電偶的熱電極或熱偶絲。熱電偶有兩個接點，置于溫度T的接點稱為熱端（測量端或工作端），而溫度為的另一接點稱為冷端（參考端或自由端）。圖4-1第2頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1基本原理接觸電動勢當(dāng)兩種金屬接觸在一起時，由于不同導(dǎo)體的自由電子密度不同，在結(jié)點處就會發(fā)生電子遷移擴散。失去自由電子的金屬呈正電位，得到自由電子的金屬呈負電位。如圖所示。當(dāng)擴散達到平衡時，在兩種金屬的接觸處形成電勢，稱為接觸電勢。接觸電動勢的數(shù)值取決于兩種不同導(dǎo)體的材料特性和接觸點的溫度。在溫度為T時，兩接點的接觸電動勢可表示為：4.1.1熱電勢圖4-2第3頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1基本原理2.溫差電動勢對于單金屬，如兩端的溫度不同，同一導(dǎo)體的兩端會產(chǎn)生一種電動勢稱為溫差電勢。原理是高溫端的電子能量要比低溫端的電子能量大，從高溫端跑到低溫端的電子數(shù)比從低溫端跑到高溫端的要多，結(jié)果高溫端因失去電子而帶正電，低溫端因獲得多余的電子而帶負電，在導(dǎo)體兩端便形成溫差電動勢。其大小與金屬材料的性質(zhì)和兩端的溫差有關(guān)，溫差電勢可表示為：4.1.1熱電勢由A、B兩種導(dǎo)體構(gòu)成的閉合回路，總的溫差電勢為：圖4-3第4頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1基本原理3.總電勢熱電偶回路中產(chǎn)生的總熱電勢是由接觸電勢和溫差電勢組成，有：4.1.1熱電勢第5頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1基本原理3.總電勢由接觸電勢和溫差電勢的公式，可以得出如下結(jié)論：(1)如果熱電偶兩電極的材料相同，即，，雖然兩端溫度不同，但閉合回路的總熱電勢仍為零。因此，熱電偶必須用兩種不同材料做電極；(2)如果熱電偶兩電極材料不同，而熱電偶兩端的溫度相同，即，閉合回路中也不產(chǎn)生熱電勢。對于已選定的熱電偶，當(dāng)參考端溫度To恒定時，為常數(shù)，則總的熱電動勢就只與溫度T成單值函數(shù)關(guān)系，即：4.1.1熱電勢，

由此可見：只要測出的大小，就能得到被測溫度T，這就是利用熱電偶測溫的原理第6頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1基本原理4.熱電偶的分度表目前用于不同用途的熱電偶材料已經(jīng)有很多種，但其中應(yīng)用廣泛的不過幾種類型。它們已經(jīng)形成了標準化熱電偶。標準化熱電偶按IEC國際標準生產(chǎn)。熱電偶的分度號主要有S、R、B、N、K、E、J、T八種，其中S、R、B是由鉑和鉑銠合金制成，屬于貴金屬熱電偶，N、K、E、J、T是由鎳、鉻、硅等金屬的合金制成，屬于廉金屬熱電偶。4.1.1熱電勢，

第7頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1基本原理5.熱電偶的特點（1）溫度測量范圍寬常用的熱電偶從-50～1600℃均可連續(xù)測量，某些特殊熱電偶最低可測到-270℃(如金鐵鎳鉻)，最高可達2800℃(如鎢-錸)。（2）精度高、性能穩(wěn)定因熱電偶直接與被測對象接觸，不受中間介質(zhì)的影響。所以熱電偶可以實現(xiàn)較高精度的溫度測量。（3）構(gòu)造簡單，使用方便熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成，而且不受金屬絲尺寸的限制，外有保護套管，用起來非常方便。測量時不需要外加電源，直接將被測量轉(zhuǎn)換成電勢輸出。（4）可以遠程測量熱電偶是將溫度信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，所以可以實現(xiàn)信號的遠距離傳輸，可以對信號放大和轉(zhuǎn)換，這在實際應(yīng)用中是很重要的。4.1.1熱電勢，

第8頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1基本原理原理性的熱電偶是由兩種材料組成的閉合回路，但在實際應(yīng)用中，需要引入測量電動勢的儀表，并將儀表引到較遠的位置，這就需要通過以下幾個定律實現(xiàn)實際的應(yīng)用。又由于測量的溫度值是測量端和自由端的溫度差，在計算測量端溫度時，需要考慮自由端相應(yīng)的熱電勢值。4.1.2熱電偶基本定律，

第9頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1基本原理1.中間導(dǎo)體定律設(shè)在熱電偶測溫回路內(nèi)，在圖4-1的To處斷開，接入第三種導(dǎo)體C，接入第三種導(dǎo)體，只要第三種導(dǎo)體的兩端溫度相同，則對回路的總熱電勢沒有影響，如圖4-4所示。4.1.2熱電偶基本定律，

圖4-4第10頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1基本原理2.中間溫度定律4.1.2熱電偶基本定律，

第11頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1基本原理3.標準電極定律4.1.2熱電偶基本定律，

標準導(dǎo)體定律的意義在于：通常選用高純鉑絲作標準電極，只要測得它與各種金屬組成的熱電偶的熱電動勢，則各種金屬間相互組合成熱電偶的熱電動勢就可根據(jù)標準電極定律計算出來第12頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1基本原理4.均質(zhì)導(dǎo)體定律由兩種均質(zhì)導(dǎo)體組成的熱電偶，其熱電動勢的大小只與兩材料及兩接點溫度有關(guān)，與熱電偶的大小尺寸、形狀及沿電極各處的溫度分布無關(guān)。即熱電偶必須由兩種不同性質(zhì)的均質(zhì)材料構(gòu)成。利用這一定律有助于檢驗兩個熱電極材料成分是否相同及材料的均勻性。4.1.2熱電偶基本定律，

第13頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2冷端補償原理熱電偶的熱電勢大小不僅與熱端的溫度有關(guān)，而且也與冷端溫度有關(guān)，只有當(dāng)冷端溫度恒定，通過測量熱電勢的大小才可得到熱端的溫度。當(dāng)熱電偶冷端處在溫度波動較大的地方時，必須首先使用補償導(dǎo)線將冷端延長到一個溫度穩(wěn)定的地方，再考慮將冷端處理為0℃。當(dāng)熱端溫度為T時，分度表所對應(yīng)的熱電勢與熱電偶實際產(chǎn)生的熱電勢之間的關(guān)系可根據(jù)中間溫度定律得到下式：由此可見，是冷端溫度的電動勢，因此需要對熱電偶冷端溫度進行處理。，

第14頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2冷端補償原理工業(yè)現(xiàn)場測溫時，由于熱電偶的長度有限，一般為350～2000mm。冷端溫度直接受到被測介質(zhì)和周圍環(huán)境的影響，不僅很難保持在0℃，而且經(jīng)常波動，因此需要采用冷端延長線（或稱冷端補償導(dǎo)線）進行補償。需要把熱電偶輸出的電勢信號傳輸?shù)竭h離現(xiàn)場數(shù)十米遠的控制室里的顯示儀表或控制儀表，這樣冷端溫度才能比較穩(wěn)定。在0～100℃溫度范圍內(nèi)，要求補償導(dǎo)線和所配熱電偶具有相同的熱電特性。4.2.1熱電偶補償導(dǎo)線，

第15頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2冷端補償原理補償導(dǎo)線分兩種。延長型：導(dǎo)線的化學(xué)成分與被補償?shù)臒犭娕枷嗤?；補償型：補償型導(dǎo)線的化學(xué)成分與被測熱電偶不同。補償導(dǎo)線的作用：用廉價的補償導(dǎo)線作為貴金屬熱電偶的延長導(dǎo)熱電偶的參比端遷移至離被側(cè)對象較遠且環(huán)境溫度較恒定的地方，有利于參比端溫度的修正和導(dǎo)線的節(jié)省，以節(jié)約貴金屬熱電偶；減少測量誤差；用粗直徑和導(dǎo)電系數(shù)大的補償導(dǎo)線作為熱電偶的延長線，可減小熱電偶回路電阻，以利于動圈式顯示儀表的正常工作。應(yīng)注意的問題：各種延長線只能與相應(yīng)型號的熱電偶配用，而且必須在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)使用；注意極性的正與負，不能接反，否則會造成更大的誤差；延長線與熱電偶連接的兩個接點溫度必須相同。4.2.1熱電偶補償導(dǎo)線，

第16頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月，

熱電偶類型補償導(dǎo)線類型補償導(dǎo)線正極負極鉑銠10－鉑銅－銅鎳合金銅銅鎳合金（鎳的質(zhì)量分數(shù)為0.6%）鎳鉻－鎳硅I型：鎳鉻－鎳硅鎳鉻鎳硅鎳鉻－鎳硅II型：銅－康銅銅康銅鎳鉻－康銅鎳鉻－康銅鎳鉻康銅鐵－康銅鐵－康銅鐵康銅銅－康銅銅－康銅銅康銅常用補償導(dǎo)線第17頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2冷端補償原理將熱電偶的冷端置于裝有冰水混合物的恒溫容器中，使冷端的溫度保持在0℃不變。此法也稱冰浴法，它消除了不等于0℃而引入的誤差，由于冰融化較快，所以一般只適用于實驗室中。4.2.2冷端0℃恒溫法，

第18頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2冷端補償原理當(dāng)冷端溫度To不等于0℃,需要對熱電偶回路的測量電勢值加以修正。當(dāng)工作端溫度為T時，分度表可查與。根據(jù)中間溫度定律得到4.2.3冷端溫度修正法，

第19頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2冷端補償原理例4-2用鎳鉻—鎳硅熱電偶測量加熱爐溫度。已知冷端溫度=30℃，測得熱電勢為33.29mV，求加熱爐溫度。解查鎳鉻—鎳硅熱電偶分度表得=1.203mV，可得

=33.29+1.203=34.493mV由鎳鉻—鎳硅熱電偶分度表可知，加熱爐溫度處于820℃～830℃，利用插值公式：

解得T=829.8℃。4.2.3冷端溫度修正法，

第20頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2冷端補償原理自動補償法也稱電橋補償法，它是在熱電偶與儀表間加上一個補償電橋，當(dāng)熱電偶冷端溫度升高，導(dǎo)致回路總電動勢降低時，這個電橋感受自由端溫度的變化，產(chǎn)生一個電位差，數(shù)值剛好與熱電偶降低的電動勢相同，兩者互相補償。這樣，測量儀表上所測得的電動勢將不隨自由端溫度變化。4.2.4冷端溫度自動補償法，

第21頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2冷端補償原理4.2.4冷端溫度自動補償法，

如圖4-8所示，補償電橋是一個直流不平衡電橋，它由3個溫度系數(shù)較小的電阻R1、R2、R3，溫度系數(shù)較大的電阻和穩(wěn)壓電源組成。補償電橋與熱電偶參考端處于同一環(huán)境溫度，設(shè)計時使電橋按等于20℃（或0℃）處于平衡狀態(tài)，此時A、B兩端無輸出電壓。當(dāng)環(huán)境溫度變化時，熱電偶冷端溫度隨之變化，使熱電動勢發(fā)生改變，此時的阻值也隨溫度的變化而變化，電橋平衡被破壞，A、B兩端有不平衡電壓輸出，不平衡電壓與熱電偶的熱電動勢疊加在一起輸入測量儀表。適當(dāng)選取橋臂電阻和橋路電流，就可以使電橋產(chǎn)生的不平衡電壓，正好補償由于參考端溫度變化引起的熱電動勢的變化量，從而達到補償?shù)哪康?。?2頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2冷端補償原理4.2.4冷端溫度自動補償法，

圖4-8補償電橋補償目標是第23頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月4.3幾種測量溫度的連接方法4.3.1測量某點溫度的基本電路，

測量某點溫度的基本電路，在實際使用時把補償導(dǎo)線一直延伸到配用儀表的接線端子上。這時，冷端溫度即儀表接線端子所處的環(huán)境溫度。熱電偶在測溫時，也可以與溫度補償器連接，轉(zhuǎn)換成標準電流輸出信號。第24頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月4.3幾種測量溫度的連接方法4.3.2測量兩點之間的溫度差，

顯示儀表的顯示值為：如圖4-10所示是測量兩點之間溫度差的測溫電路，用兩個相同的熱點偶，配以相同的補償導(dǎo)線，這種連接方式應(yīng)使各自產(chǎn)生的熱電動勢互相抵消，儀表可以測量t1和t2之間的溫度差。第25頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月4.3幾種測量溫度的連接方法4.3.3測量平均溫度的線路，

輸入到儀表兩端的毫伏值為3個熱電偶輸出熱電動勢的平均值。若3個熱電偶均工作在特性曲線的線性部分時，則代表了測量點溫度的算術(shù)平均值，為此，每個熱電偶需串聯(lián)較大電阻。它的特點是儀表的分度仍就和單獨配用一個熱電偶時一樣。第26頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月4.3幾種測量溫度的連接方法4.3.4測量幾點溫度之和的線路，

顯示儀表的顯示值為：輸入到儀表兩端的熱電動勢的總和，可直接從儀表讀出各點溫度之和。

優(yōu)點：獲得的熱電動勢較大，儀表的靈敏度大大增加，且避免了熱電偶并聯(lián)線路存在的缺點，可立即發(fā)現(xiàn)有斷路。缺點：只要有一支熱電偶斷路，整個測溫系統(tǒng)將停止工作。此外，應(yīng)用此電路工作時，每個熱電偶引出的補償導(dǎo)線還必須回到儀表的冷端處理。第27頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月4.4熱電偶在鹽浴爐溫控中的應(yīng)用鹽浴爐一般用于對精密儀器設(shè)備或大型設(shè)備的關(guān)鍵性部件進行淬火，常用溫度在800～1500℃之間，對溫度控制要求高，所以